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基于多源遥感数据的偏远散区公安敏感目标检测

李非燕  
【摘要】:公安敏感目标检测是新疆公安反恐工作的重要内容,及时、准确、高效地获取偏远散区域公安敏感目标的分布情况,是公安机关反恐维稳、应急处突的重要依据。高分卫星遥感技术的快速发展为公安遥感行业应用提供了优质的数据来源,已成为新疆公安机关获取偏远散区空间情报最有效的工具之一。与单一遥感数据源存在的光谱波段信息不足等问题相比,使用多源遥感数据能更全面地认识公安敏感目标的特性,深度分析、优势互补。本文的研究内容和创新点如下:一、基于高分图像多尺度和关键特征定位的公安敏感目标检测研究1)利用高分二号全色和多光谱融合图像的高空间分辨率,针对偏远散地区数据中目标尺寸变化大,形状多样,材质不一,目标与背景类别之间分布十分不均衡等特性,提出了基于膨胀残差网络的遥感图像语义分割模型(Atrous and residual network,ARnet)。在U型跳级网络结构能够兼顾高层语义信息与底层空间信息的基础上,利用多孔空间金字塔池化方案结合多尺度上下文信息,膨胀卷积能在不增加计算成本和网络参数的基础上扩大卷积的感受野,残差模块解决因网络深度带来的训练难问题。公安敏感建筑物数据集和公安敏感道路数据集的测试IoU结果分别达到0.8038和0.8281,较其他的网络模型提高了2%和1.78%。2)从关键特征定位和动态多尺度上下文信息提取的角度出发,进一步提出了基于双注意力机制的双路分割网络(Two stream Unet++for segmentation bassed on dual attention,TUDA)。道路和建筑物图像进行统一的特征提取能够互相实现道路和建筑物特征的互相增益,而后在U-net++网络中引入双注意力机制实现关键特征定位。TUDA在建筑物数据集上的测试IoU为0.8749,较其他方法约提高了3.6%,道路数据集上的测试IoU为0.8779,较其他方法提高了1.9%。二、基于高分二号和高分六号特征增强的公安敏感目标检测研究利用高分二号全色和高分六号多光谱融合图像光谱波段增多的优势,为了减少因两种卫星图像拍摄时间不同步及空间分辨率差异较大等因素对检测结果的影响,实现特征增强的目的,提出了多尺度金字塔特征融合的遥感图像分割网络(Multi-scale pyramid network based on deep feature fusion,MSPN)。利用条带池化能有效地捕捉远距离上下文信息,用规模可感知的金字塔融合模块动态地融合高级特征中的多尺度上下文信息。编码器和解码器之间加入多个全局金字塔导引模块,能为解码器提供不同级别的全局上下文信息。MSPN在建筑物数据集上的测试IoU达到0.8911,比TUDA网络提高了1.6%,比其他对比网络模型提高了约2.3%,在道路数据集上的测试IoU达到0.8828,比TUDA网络提高了2.5%,比其他对比网络模型提高了约3.8%。三、基于高光谱多源数据空谱特征联合稀疏表示的公安敏感目标检测研究1)利用高光谱图像光谱分辨率较高的优势,辅助激光雷达(Lidar)数据,提出了基于重构残差融合的表示分类模型(Residual fusion-based representation classifier,RFRC)。结合全局空间特征、局部空间特征和光谱特征的优势,避免了单一数据源不能全面表征目标的缺点。同时结合协同表示分类器的合作机制和稀疏表示的竞争机制,改进稀疏表示分类器。RFRC在使用MFUUFL Gulfport多源数据联合检测时,道路的IoU达到0.8879,建筑物的IoU达到0.8673,在Washington DC数据图像中道路的IoU达到0.9965,建筑物的IoU达到0.9971。2)考虑到高光谱数据存在的休斯(Hughes)现象需要合理的特征融合处理以提高目标的可检测能力,本文进而提出了基于RCCA的空间加权多特征融合算法(Spatially weighted features fusion based on RCCA,SWFF)。在提取光谱特征的同时使用协同表示理论计算空间邻域像素的相似度,减小因传感器、天气等因素造成的光谱多样性问题。RCCA(Randomized Nonlinear Canonical Correlation)特征融合算法能最大程度地保留稀疏、低秩特征中的可判别信息。SWFF在使用MFUUFL Gulfport多源数据联合检测时,道路的IoU达到0.9056,建筑物的IoU达到0.8722,在Washington DC数据图像中道路的IoU达到0.9953,建筑物的IoU达到0.9961。本论文的研究成果为公安遥感应用创新提供了关键技术支撑和条件。以多源数据为基础提取公安敏感目标信息,结合其它公安实战辅助信息聚合分析,在实战中多点联合、科学布控,能快速有效地围堵封锁关键节点及路段,实现高效应急处置,提高反恐处突效率。


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